特高压交直流混联电网外送系统故障对交流电压的影响研究

王俊芳，高春辉，郑博文，任 正，杨朋威

（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

近期，中国提出“双碳”目标［1］，要求加快能源转型，构建清洁低碳、安全高效能源体系［2］。电力系统连接电力生产和消费，是能源转型的中心环节，是实现碳达峰碳中和目标的主战场之一。我国地域面积辽阔，且能源资源与消费逆向分布，76%煤炭分布在北部和西北部，80%风能分布在西部北部地区，80%水能分布在西南部，70%太阳能资源主要分布在西部地区和北部地区，而我国的用电负荷主要分布在经济比较发达的东部沿海地区。能源资源与用电负荷呈逆向分布，这使得我国必须进行大规模远距离的电力输送。

特高压交直流输电是进行大规模远距离输电的主要方式，且我国已基本形成以高压输电为骨干网架的交直流混联电网［3］。交直流混联输电系统既能发挥直流和交流的各自优势，又能提高输电能力，同时有利于电网安全稳定运行［4−5］。但在交直流混联输电系统中，无论是直流通道闭锁，还是交流通道故障，都会对交流系统电压产生较大影响。目前，对于交直流混联电网中交直流通道故障对系统电压造成的影响，需要找出全部可能发生的故障，并对所有故障情况进行仿真计算，理论研究深度和取得的成果还远远不够［6−20］。

针对上述问题，提出特高压交直流混联电网外送系统故障对交流电压的影响研究。通过理论计算分析了特高压直流通道及交流通道故障对交流电压的影响，基于PSASP 软件搭建了锡盟地区特高压交直流混联电网仿真模型，结合实例仿真验证了理论计算结果的准确性及有效性，为系统稳态运行电压的控制提供理论指导，对交直流混联系统安全稳定运行具有重要意义。

1 交直流混联输电系统数学模型

交直流混联输电系统数学模型可分为交直流并联和非并联输电系统模型［21−22］。交直流并联输电系统模型如图1 所示。其中，A 为送端交流系统，Pdc为直流输送功率，Pac为交流输送功率，B 为受端无穷大系统。

图1 交直流并联输电系统模型

交直流非并联输电系统模型如图2 所示，其中，A 为送端交流系统，Pdc为直流输送功率，Pac为交流输送功率，B 为直流输电通道受端无穷大系统，C 为交流输电通道受端无穷大系统。

图2 交直流非并联输电系统模型

2 交直流外送通道故障对交流电压的影响分析

2.1 直流闭锁对交流电压的影响分析

由图1和图2可知，无论是交直流并联还是非并联输电系统模型，直流通道闭锁后其输送功率都将转移至交流通道，致使交流通道潮流加重，沿线电压下降。

交直流混联输电系统模型中交流通道集中参数简化模型如图3所示［23］。

图3 交流通道集中参数简化模型

图3中，输电线路阻抗为Z=R+jX，线路首端电压为，线路末端电压为，线路电流为，线路首端功率为S1=P1+jQ1，线路末端功率为S1=P2+jQ2。

由等值电路图3可知，线路电压降落为

若以首端电压相量作为参考轴，令=U1∠0∘，且已知电流和线路首端功率因数cosφ1，可作相量图如图4所示。

图4 电压降落相量图

将电压降落相量分解为与同方向的纵分量ΔU1，相垂直的横分量σU1，于是有

线路的电压降落可以表示为

在电力系统中，习惯用功率进行计算，如果用一相功率表示电流，即

用功率代替电流，可将式（2）改写为

由图4可知

将式（6）进行数学变换，可得线路末端电压幅值U2与线路参数及线路输送功率之间的关系为

式中：M可以为P、Q、R、X。

当U1>>ΔU1且U1>>σU1时，式（7）可以简化为

由式（8）可知，线路参数及传输功率P、Q、R、X越大，末端电压幅值下降速度越快。

当发生直流闭锁或盈余功率转移时，等效传输功率中的P增大，由式（8）和式（5）可知

换流母线到交流母线的等效电阻越大，直流闭锁或盈余功率转移时造成的交流母线电压下降幅度越大。

2.2 交流故障对交流电压的影响分析

由等值电路图3 可知，若以作为参考轴，令=U2∠0∘，且已知电流和线路末端功率因数cosφ2，可作相量图如图5所示。

图5 电压降落相量图

将电压降落相量分解为与同方向的纵分量ΔU2，相垂直的横分量σU2，于是有

线路的电压降落可以表示为

如果再用一相功率表示电流，即

用功率代替电流，可将式（10）改写为

由图5可知

将式（14）进行数学变换，可得首端电压幅值U1与线路参数及输送功率之间的关系为

若U2>>ΔU2且U2>>σU2时，式（15）可以简化为

由式（16）可知，线路参数及输送功率P、Q、R、X越大，首端电压幅值升高速度越快。

当发生交流故障时，线路等效电抗X发生改变，由式（16）和式（13）可知

线路传输无功功率与首端电压比值越大，交流断线故障造成线路首端压升越大。

3 锡盟地区特高压交直流混联电网仿真建模

锡盟地区地广人稀，煤炭和风电资源丰富，适宜大规模开发建设煤电和风电基地。目前以该端为送端系统，已建成“锡盟—泰州±800 kV特高压直流”与“锡盟—山东特高压交流”两大跨区输电工程，形成特高压交直流混联电网。

基于PSASP 软件对锡盟地区特高压交直流混联电网进行建模。PSASP 软件提供同步电机、励磁调节器、原动机调速器、PSS、感应电动机及综合动态负荷、静态负荷、静止无功补偿器、直流输电等电力系统常用模型，且具备图模一体化支持平台，通过调用元件模型、录入数据、潮流计算即可形成地区电网模型，具体建模流程如图6所示。

图6 锡盟地区电网建模流程

图7 锡盟地区电网模型

“锡盟—山东特高压交流输电工程”起于胜利特高压变电站，通过胜锡双回、锡廊双回、廊河双回、河泉双回，止于山东泉城；“锡盟—泰州特高压直流输电工程”起于锡林浩特换流站，止于江苏省泰州换流站，并通过胜林三回线接入胜利特高压变电站。

4 系统仿真分析

以锡盟地区特高压交直流混联输电系统为例，对特高压交直流外送系统故障对交流电压的影响进行仿真验证。

在系统全接线、锡泰直流输送功率1 300 MW 运行方式下，若锡泰直流发生双极闭锁，监测锡盟、廊坊、海河的电压变化，可得不同特高压站母线电压变化曲线如图8所示。

图8 直流双极闭锁对交流母线电压的影响

由仿真结果可知，锡泰直流双极闭锁，海河稳态压降最大，廊坊次之，锡盟最小，符合本文所得结论：换流母线到交流母线的等效电阻越大，直流闭锁时造成的交流母线电压下降幅度越大。

在系统全接线、交流输送无功功率与首端电压比值分别为0.283、0.316、0.346 运行方式下，若胜锡I线锡盟侧发生断线故障，监测胜利站电压变化，可得不同线路传输无功功率与首端电压比值情况下胜利特高压站母线电压变化曲线如图9所示。

图9 交流断线故障对交流母线电压的影响

由仿真结果可知，线路传输无功功率与首端电压比值分别为0.283、0.316、0.346 时，发生交流单回断线故障，线路首端稳态压升分别为14.32 kV、16.19 kV、17.49 kV，符合本文所得结论：线路传输无功功率与首端电压比值越大，发生交流单回断线故障线路首端压升越大。

5 结语

对特高压交直流混联系统中外送通道故障对交流电压的影响进行研究。直流闭锁或盈余功率转移造成交流母线电压下降的幅度主要与换流母线到交流母线的等效电阻和交流母线的电压水平相关，等效电阻越大、电压水平越低，相同功率转移造成的电压下降幅度越大，以此能够辨识相同直流闭锁或功率转移下电压下降幅度最大的交流母线，以及对相同交流母线电压影响最大的直流系统；交流断线故障造成线路首端母线电压上升的幅度主要与线路传输的无功功率和交流母线自身的电压水平相关，传输无功功率越大、电压水平越低，交流断线故障造成的首端稳态压升越大，以此能够识别造成稳态压升最大的交流断线故障。

研究结论为系统稳态运行电压的控制提供理论指导，对交直流混联系统安全稳定运行具有重要意义。